INOX: Metalurgia Física
Efeito da temperatura na estrutura e na
estabilidade de ligas Fe - 18 Cr - (0 a 60) Ni
Effect of the temperature on the structure and stability of Fe 18 Cr
-(0 to 60) Ni alloys
Franco de Castro Bubani
Faculdade de Engenharia Mecânicada UNICAMP, Campinas, SP E-mail: franco@fem.unicamp.br
Célia Cristina Moretti
Decarli
Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP, Campinas, SP E-mail: cdecarli@fem.unicamp.br
Gabriela Lujan Brollo
Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP, Campinas, SP E-mail: gbrollo@fem.unicamp.br
Edison Henrique Barreto
Resumo
O material estudado consiste de uma série de ligas com composição base (% em peso) de 18Cr - 0,01C - 0,2Si - 0,4Mn e teores de níquel variando de zero a 60%. Analisou-se a microestrutura por microscopia ótica das ligas no estado recozido e após deformação à temperatura ambiente, 350 e 700ºC, de modo a simular as altas temperaturas alcançadas na usinagem dessas ligas.Foram também gerados diagramas de equilíbrio das ligas por termodinâmica computacional (Thermocalc) para se prever o comportamento dessas ligas em uma larga faixa de temperaturas. As condições teóricas de equilíbrio termodinâmico do sistema foram comparadas às microestruturas observadas, indicando que a fase CFC nas ligas com teor de níquel entre 10% e 30% em peso está, na realidade, em uma condição metaestável à temperatura ambiente. Foi observada transformação martensítica induzida por trabalho a frio na liga com 10%Ni, validando os cálculos computacionais.
Palavras-chave: Aços inoxidáveis, ligas à base de níquel, microestrutura,
usina-bilidade, termodinâmica computacional.
Abstract
de níquel) são os aços inoxidáveis fer-ríticos. Os principais representantes das ligas Fe-Cr-Ni são os aços inoxidáveis austeníticos e as superligas à base de níquel. As superligas à base de níquel possuem adições de outros elementos para a obtenção de resistência mecânica satisfatória a temperaturas elevadas. Nas ligas estudadas no presente trabalho, todas com teor de cromo fi xo em 18%, a variação do teor de níquel entre 0% e 60% levou a composições base de aços inoxidáveis ferríticos, aços inoxidáveis austeníticos e ligas à base de níquel.
Os diagramas de fases no equilíbrio são valiosas ferramentas no estudo das possíveis fases que ocorrem em um material. Seu uso, entretanto, apresenta algumas limitações importantes. A rigor, na maioria dos sistemas, o equilíbrio não é atingido em uma escala de tem-po compatível com o processamento do material. Os diagramas de fase no equilíbrio também ignoram as fases metaestáveis, as quais, freqüentemente, têm propriedades interessantes e im-portância tecnológica e científi ca. Por todas essas considerações, o diagrama de fases deve ser usado com cuidado e bom senso para prever o comportamento e a microestrutura de ligas comerciais.
A análise do sistema Fe-Cr-Ni permite observar que o níquel expan-de o campo austenítico. Na ausência
de níquel, o sistema não apresentará austenita à temperatura ambiente. Na medida em que o teor de níquel aumenta, passa-se a ter austenita, numa condição metaestável, sendo que a quantidade mínima de níquel necessária para que o material apresente uma estrutura es-sencialmente austenítica à temperatura ambiente depende, entre outros fatores, do teor de cromo. É possível induzir transformação martensítica na auste-nita metaestável tanto por deformação, quanto por resfriamento criogênico. Na medida em que se adiciona mais níquel ao sistema, a fase austenítica torna-se, progressivamente, mais estável, sendo que acima de determinado teor de níquel a fase austenítica não apresentará trans-formação martensítica (ASM, 1988).
Vários estudos sobre a transforma-ção martensítica no sistema Fe-Cr-Ni estão disponíveis na literatura. Estudos mais antigos focaram, principalmente, na cristalografi a das fases formadas a partir da austenita, nos mecanismos e na ordem da transformação (Kato, 1975; Sato, 1980; Dash, 1963; Suzuki, 1967 e Umemoto, 1984).
Duas fases martensíticas distintas podem ser formadas a partir da austenita, no sistema Fe-Cr-Ni: a martensita , que possui estrutura hexagonal compacta, e a martensita ’, que possui estrutura cúbica de faces centradas. Trabalhos
mais recentes estudaram a microestru-tura submetida a grandes deformações a frio (Wang, 2007), o comportamento termodinâmico do sistema (Tomiska, 2004), a formação, a morfologia e as propriedades das fases martensíticas (Müller, 2006 e Akturk, 2006).
2. Materiais e métodos
As ligas foram produzidas pela Villares Metals. As ligas foram forjadas e laminadas em temperaturas na faixa de 1150 a 1180ºC, recozidas a 1050ºC por 1 hora e resfriadas em água. O material foi entregue na forma de barras de seção circular, com diâmetro de 54 mm, cuja composição é apresentada na Tabela 1.Foram preparadas quatro amostras para cada liga: uma no estado recozido e 3 outras retiradas próximas aos locais de ruptura de corpos-de-prova após ensaios de tração na temperatura ambiente, 350 e 700ºC. As amostras deformadas foram seccionadas em um plano paralelo ao eixo de tração.
Os diagramas de equilíbrio foram calculados com o software Thermocalc for Windows, utilizando o banco de da-dos FEDAT. Para demonstrar os efeitos dos elementos de liga no sistema Fe-Cr-Ni, foi elaborado um diagrama para cada liga, de acordo as composições da Tabela 1.
3. Resultados e
discussão
3.1 Simulação por
termodi-nâmica computacional
A simulação realizada pelo pro-grama Thermocalc mostrou que as seis ligas contendo níquel poderiam ser, adequadamente, representadas por ape-nas três diagramas de equilíbrio, pois a composição das ligas 10Ni e 20Ni levou a diagramas, praticamente, idênticos, assim como à composição das ligas 40Ni, 50Ni e 60Ni. São apresentados, na Figura 1, os 3 diagramas em função da temperatura e da fração de níquel, que possuem diferenças signifi cativas: o diagrama 1 corresponde às ligas 10Ni e 20Ni, o diagrama 2 corresponde à liga 30Ni e o diagrama 3 corresponde às ligas 40Ni, 50Ni e 60Ni, que apresentam menores teores de nitrogênio.
Há a presença, nos três diagramas, de campos de precipitação de carbone-tos (M23C6 e M7C3) até 900°C. Todos
os diagramas apresentam, também, a fase sigma em temperaturas inferiores a 750°C. Os diagramas 1 e 2 são muito semelhantes, exceto para temperaturas em torno de 800°C com teores de níquel acima de 40%, onde há a presença de um campo de austenita + M7C3 no
dia-grama 1 (marcado com o número 15) e a ausência desse campo no diagrama 2. O diagrama 3 apresenta uma diminuição de regiões onde há a ocorrência de nitre-tos em relação aos diagramas 1 e 2. No diagrama 3, a presença de nitretos está restrita para teores de níquel acima de,
Em todos os diagramas, observa-se que a Tliquidus diminui, ligeiramente, com
o aumento do teor de níquel, de 1500°C, em 0%Ni, para, aproximadamente, 1400°C, para 70%Ni, teor de níquel máximo no diagrama.
3.2 Microestrutura
Estado recozido: a observação
da microestrutura das ligas (Figura 2) mostrou que, devido à impossibilidade de se atingir o equilíbrio para baixas temperaturas, as estruturas das ligas à temperatura ambiente observadas cor-respondem, na realidade, às estruturas previstas no diagrama de equilíbrio para temperaturas mais elevadas, da ordem de 900°C. A liga 0%Ni apresentou estrutura totalmente ferrítica. Todas as demais li-gas (10 a 60%Ni) apresentaram estrutura austenítica. Esse resultado demonstra o efeito do níquel como elemento estabili-zador da fase CFC nas ligas à temperatu-ra ambiente. Conforme o teor de níquel aumentou, houve arredondamento pro-gressivo dos grãos e diminuição da pre-sença de maclas. A alteração no formato dos grãos e a diferença na presença de maclas estão associadas com a energia de falha de empilhamento, que aumenta com a elevação no teor de níquel, para o sistema Fe-Cr-Ni.
Não foi possível identifi car por mi-croscopia ótica a presença de carbonetos e nitretos, como previsto no diagrama de equilíbrio.
Após deformação a frio: A
defor-a presençdefor-a de mdefor-artensitdefor-a. As demdefor-ais ligas (30Ni, 40Ni, 50Ni e 60Ni) per-maneceram com as mesmas estruturas apresentadas no estado recozido, não se observando modifi cações estruturais signifi cativas. Esse resultado indica que a fase CFC está estável nessas ligas. Além disso, a estrutura dessas ligas no estado após deformação a frio é a mesma esperada no equilíbrio, prevista pelos diagramas, sendo composta apenas pela fase CFC, com a presença de carbonetos e nitretos.
Após deformação a 350 e a 700ºC:
Observa-se precipitação nos contornos de grão de todas as ligas austeníticas en-saiadas a 700ºC e, em algumas ligas, até mesmo separação nos contornos de grão (ligas 30Ni, 40Ni, 50Ni e 60Ni). Isso indica que houve forte precipitação nos contornos de grão durante os ensaios a 700ºC, fragilizando as ligas austeníticas e levando-as à fratura intergranular. O tempo total de aquecimento no ensaio de tração a 700°C foi de, aproximada-mente, 2 horas, sufi ciente para provocar essa precipitação em contorno de grão austenítico. Esse fenômeno não foi observado na liga ferrítica (0Ni). A 350ºC, a precipitação não pôde ser tão nitidamente observada. As alterações estruturais observadas nas ligas 10Ni e 20Ni após deformação a frio não são observadas após deformação a 350 e a 700ºC, o que sugere que a temperatura de 350ºC já é sufi ciente para impedir a formação de martensita.
Diagrama 1 - Válido para as ligas 10Ni e 20Ni.
Figura 1 - Diagramas de equilíbrio do sistema Fe-Cr-Ni obtidos por Thermocalc.
Diagrama 3 - Válido para as ligas 40Ni, 50Ni e 60Ni.
A
Rem
tem novo endereço eletrônico para
submissão de artigos:
http://submission.scielo.br/index.php/rem/index
www.rem.com.br
já havia sido identifi cada em trabalhoanterior por difração de raios X. A liga 20Ni também apresentou alterações es-truturais após deformação a frio, com o aparecimento de maclas no interior dos grãos, provocadas pela deformação, porém dados anteriores de difração de raios X não indicaram a presença de martensita. As demais ligas (30Ni, 40Ni, 50Ni e 60Ni) permaneceram com as mesmas estruturas apresentadas no estado recozido, não se observando modifi cações estruturais signifi cativas.
Após deformação a 350 e a 700ºC houve precipitação nos contornos de grão de todas as ligas austeníticas en-saiadas a 700ºC e, em algumas ligas, até mesmo separação nos contornos de grão (ligas 30Ni, 40Ni, 50Ni e 60Ni). Esse fenômeno não foi observado na liga ferrítica (0Ni). A 350ºC, a precipitação não pôde ser tão nitidamente observada. As alterações estruturais observadas nas ligas 10Ni e 20Ni após deformação à frio não foram observadas após deformação a 350 e a 700ºC, o que sugere que a temperatura de 350ºC já é sufi ciente para impedir a formação de martensita nessas ligas.
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